实验十四 铁磁材料高温居里点测试

实验十四 铁磁材料高温居里点测试实验
铁磁性物质的磁性随温度的变化而改变。

当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由铁磁状态转变为顺磁状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以T c 表示。

测量T c 不仅对磁性材料、磁性
器件的研制、使用，而且对工程技术乃至家用电器的设计都具有重要的意义。

通常，测量铁磁性物质居里温度的方法有磁秤法、电桥法和感应法等，本实验在感应法基础上，设计了相应的辅助测试电路来测定铁磁物质的居里温度。

一、实验目的
1．初步了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理；
2．学习测定铁磁物质居里温度的原理和方法；
3．测定铁磁物质的居里温度。

二、实验原理
1.基本理论
在铁磁性物质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，这个区域的体积约为8310m ，称之为磁畴。

在没有外磁场作用时，不同磁畴的取向各不相同，如图1。

因此，对整个铁磁物质来说，任何宏观区域的平均磁矩为零，铁磁物质不显示磁性。

当有外磁场作用时，不同磁畴的取向趋于外磁场的方向，任何宏观区域的平均磁矩不再为零，且随着外磁场的增大而增大。

当外磁场增大到一定值时，所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，如图2所示。

任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显示出很强的磁性，我们说铁磁物质被磁化了。

铁磁物质的磁导率μ远远大于顺磁物质的磁导率。

图1 无外磁场作用的磁畴；图2 在外磁场作用下的磁畴
铁磁物质被磁化后具很强的磁性，这种强磁性与温度有关。

随着铁磁物质温度的升高，金属点阵热运动的加剧会影响磁畴矩的有序排列。

但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴磁矩基本的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小。

而当与kT（k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度）成正比的热运动能足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时，磁畴被瓦解，平均磁矩降为零，铁磁物质的磁性消失而转变为顺磁物质，与磁畴相联系的一系列铁磁性质（如高磁导率、磁滞回线等）全部消失，相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率。

与铁磁性消失时所对应的温度即为居里温度。

表示。

一般自发磁化强度与任何区域的平均磁矩称为自发磁化强度，用M
1
饱和磁化强度M很接近，可用饱和磁化强度近似代替自发磁化强度，根据饱和磁化强度随温度变化的特性来判断居里温度。

同物质的熔点温度一样，不同材料的居里温度是不同的，有些高达1000K 以上，有些则只有几百K左右，例如钴、铁、镍的居里温度分别为1393K、1043K 和631K。

2．测量装置及原理
（1）测量装置
由居里温度的定义知要测定铁磁物质的居里温度，其测定装置必须具备四个功能：提供使样品磁化的磁场；改变铁磁物质温度的温控装置；判断铁磁物质磁性是否消失的判断装置；测量铁磁物质磁性消失时所对应温度的测温装置。

以上四个功能由图3所示的系统装置来实现。

图3 测量居里温度装置图
B1励磁电流调节变压器；B2隔离变压器；B3加热电流调节变压器；B4隔离变压器。

磁化感应加热炉剖面图如图4所示，待测样品及测温热电偶放在陶瓷管的中心，加热炉丝绕在陶瓷管上，然后用硅酸铝绝热毡包裹，置于水冷套管中，通过改变炉丝中的电流来改变管中的温度，励磁线圈绕在水冷套管的外壁上，当给其中通以电流时就在管的中心线上产生一均匀的磁场用以磁化待测样品；感应线圈绕在最外层用以探测总磁场的变化，为居里温度的判断提供必须的信息，水冷套的作用是保护励磁线圈及感应线圈不被加热炉的高温烧坏。

（2）测量原理
判断铁磁性消失的信息来源
励磁线圈在管中心轴线上所产生的磁场强度H与磁化电流I成正比，而磁化电流I又与采样电阻R上的电压成正比，这样采样电阻上取出的电压就与磁
表示H的近似值送入示波器的X轴，移相电路对H进行场强度H成正比，以U
R
适当移相后作为判断居里温度的信息之一。

当感应线圈所在空间的磁性发生变化时，在感应线圈中就会产生感应电动势，由电磁感应定律有： dt
dB NS dt d -==φε （1） 式中S 为线圈的面积，N 为线圈的匝数，将此感应电动势ε送入测试电路板中，测试电路板的积分电路将对ε作时间积分得： ⎰
-=dt NS B ε1 （2） 故由积分电路输出的信号即正比于总的磁感应强度B ，将它作为判断居里温度的信息之二。

（3）根据B 、H 随待测样品磁性变化的情况判断居里温度
磁场强度H 及磁感应强度B 随样品磁性变化的情况（用H m 、B m 分别表示它
们的峰值）：
i.
室温放样品前后H 、B 的变化 a. 放样品前：放样品前的磁场强度和磁感应强度分
别用H 1和B 1表示。

通过调节移相及积分电位器及
示波器上的X 、Y 轴灵敏度，使H 1和B 1在示波器上 图5
显示的图形为一条斜线：
b. 放样品后：放样品后的磁场强度和磁感应强度分别用H 2和B 2表示。

当样品放入炉子后，对励磁线圈来说，阻抗增加。

因此，在电源电
压不变的情况下，励磁电流I 减小，故H
2＜H １。

而对感应线圈来说，磁导率增大（铁磁物质的
磁导率远大于空气的磁导率），故B ２＞B 1，在示
波器上显示的图形为上一斜线的X 方向缩短，
Y 方向变大。

图6
ii. 放样品加温后B 、H 的变化
加温后的磁场强度和磁感应强度分别用H 3和B 3表示。

a. 当炉温高于室温而低于但接近居里温度的某一特殊温度时（用T ´表
示这一特殊温度）：在开始升温到接近居里温度T ´的这一温度范围
内，由于铁磁性基本稳定，故H 3、B 3均保持不变，B 3= B 2，H 3= H 2，
故在示波器上显示的图形仍为图6所示。

b. 当炉温接近居里温度T ´但未达到居里温度时：在接近居里温度但仍
低于居里温度的这一小的温度区域内，由于这时
铁磁物质开始向顺磁物质转变，故随着温度的
升高磁导率μ逐渐减小，因而B 3逐渐减小，
H 3逐渐增大，即在示波器上显示出的图形如图7。

图7
c. 当炉温达到居里温度时，铁磁性完全消失而呈现出顺磁性，铁磁物
质的磁导率转变为顺磁物质的磁导率，此时， B 3= B 1，H 3= H 1，即在
示波器上显示的图形如图5所示。

d. 炉温超过居里温度后，由于顺磁性基本稳定，故B 和H 都是稳定而不
再变化的，因而示波器上显示的图形为图5所示的不发生变化。

根据以上分析，在有无样品，是否加温的不同条件下，通过观察示波器上所出现的图形变化就可确定样品是否达到居里温度。

三、仪器用具
JLD-Ⅲ型高温居里点测试仪，待测样品，热电偶，测试仪，磁化感应加热炉，水冷循环系统。

四、实验内容
1．按图3所示将感应加热炉与电源一一对应连接，B、H与示波器的Y、X 轴对应连接，开启电源开关。

2．调节变压器B1使励磁电流为0.5A左右，调节移相和积分两电位器及示波器X、Y轴灵敏度，可以观测到如图5所示的图形。

3．将待测样品插入加热炉，应能观察到如图6所示的图形。

4．接通冷却水。

5．将温控器的温度设置到600度左右，调节B3使加热电流为2A左右，使感应炉升温，恒温。

再依次调节温控器设置温度点为650、700、750、800度，使感应炉处于升温、恒温状态，仔细观察示波器上所显示的图像变化过程，确定样品（铁棒）达到居里温度时温控器所显示的数值。

6．调节变压器B3使加热电流降到零，炉子开始降温，当温度降到低于居里温度时，再增加加热电流，重复测量样品的居里温度3～4次。

7．调节变压器B3使加热电流降为零，待炉温降到低于200℃时关闭冷却水，关闭电源开关。

五、数据处理
将各次测量所得的居里温度求平均值，并与标准值进行比较，求出其相对百分误差。

六、注意事项
1．炉温高于200℃时不得关闭冷却水，否则会烧毁感应线圈和励磁线圈及冷却水套。

本实验装置温度比较高在实验过程中应注意安全防止烫伤。

2．待测样品和热电偶的测温端应放在炉子的中心。

3．避免装置周围有强的电磁场干扰。

4．样品快接近居里温度时应使温度缓慢升高，以免测量误差过大。

七、思考题
1.试分析样品和热电偶的测温端不在炉子中心对称位置对结果的影响。

2.采样电阻R有什么作用？。